ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ Российский патент 2002 года по МПК F24H1/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в котельных агрегатах, преимущественно в автономных и крышных котельных.

Известен водогрейный вертикальный котел [1], содержащий размещенные в корпусе топку, центральный газоход и водяные рубашки, расположенные концентрически друг в друге с образованием зазоров для прохода газов. Один зазор соединен последовательно с газосборным коллектором и с дымоходом. Корпус ограничен сверху и снизу днищами. Трубопровод подвода холодной воды подключен к нижнему днищу, а трубопровод отвода горячей воды к верхнему днищу. Нагреваясь, вода поднимается в полость верхнего днища, где происходит смешивание потоков, имеющих неодинаковую температуру, после чего поступает в трубопровод горячей воды к потребителю.

Недостатком устройства является его низкая надежность в связи с неравномерностью нагрева отдельных секций котла, а также сложность и большая металлоемкость конструкции, обусловленные необходимостью организации многочисленных каналов для прохода дымовых газов.

Известен также водогрейный котел [2], содержащий заполненный водой герметичный корпус, внутри которого расположена топка, жаровая и дымогарные трубы. Для интенсификации теплообмена дымогарные трубы снабжены винтовыми вставками, способствующими турбулизации топочных газов, обеспечивающей улучшение теплообмена.

Недостатком данного котла является сложность конструктивного исполнения, а также неэффективное использование тепла сгоревшего топлива вследствие малой поверхности нагрева, так как в процессе нагрева воды участвуют только наружные стенки жаровой и дымогарных труб.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому техническому решению является водогрейный котел [3]. Котел содержит корпус с крышкой и закрепленную в центральной части крышки горелку. В корпусе размещены водяной объем, топочная камера, поворотная камера дымовых газов, образованная крышкой котла и обращенной к крышке торцовой частью водяного объема, дымогарные трубы, сообщенные входными участками с поворотной камерой дымовых газов, а выходными - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой, водяной коллектор, расположенный в донной части котла, и нагревательные элементы. Последние выполнены в виде трубок Фильда. Каждая наружная труба нагревательного элемента помещена с некоторым зазором в дымогарную трубу. Внутренние трубы нагревательного элемента впускными концами непосредственно соединены с подводящим воду трубопроводом, а выпускные концы наружных труб - с водяным коллектором. Полость водяного коллектора трубопроводом соединена с водяным объемом котла, снабженного отводящим патрубком.

Известное устройство позволяет повысить теплосъем за счет достаточно развитой площади обогреваемой поверхности.

К недостаткам устройства можно отнести низкую эффективность теплосъема, относительную сложность конструкции и, как следствие, увеличенные массу и габариты котла.

Недостаточная эффективность теплосъема обусловлена следующим.

Во-первых, вода, поступающая по подводящему трубопроводу во внутренние трубы нагревательных элементов, перемещаясь по ним, нагревается от воды, находящейся в кольцевом зазоре между наружной и внутренней трубами, что малоэффективно, так как при этом отсутствует непосредственный контакт воды с теплом дымовых газов. Далее, на выходе из внутренней трубы нагревательного элемента направление движения воды меняется на противоположное, она поступает в канал, образованный кольцевым зазором между трубами нагревательного элемента и, перемещаясь по нему, нагревается от тепла дымовых газов. Однако при данной схеме организации газопоток и дымовые газы в дымогарной трубе перемещаются в том же направлении, а это снижает эффективность теплопередачи, так как известно, что теплопередача больше при противотоке нагревающей и нагреваемой сред.

Кроме того, в конструкции котла, за исключением установки нагревательных элементов внутри дымогарных труб, не предусмотрены специальные средства повышения эффективности теплосъема.

Наконец, нагретая вода охлаждается при перемещении из водяного коллектора в водяной объем по трубопроводу, вынесенному за габариты котла.

Сложность устройства обусловлена сложностью конструкции нагревательных элементов, необходимостью установки перегородок для организации полости коллектора дымовых газов, наличием специального трубопровода для перемещения воды из водяного коллектора в водяной объем.

Выполнение нагревательных элементов в виде труб Фильда, наличие указанных перегородок и трубопровода увеличивают массу устройства, а последний - и его габариты, так как размещен за пределами корпуса котла.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности теплосъема, упрощение конструкции, уменьшение массы и габаритов котла.

Указанный технический результат достигается тем, что в водогрейном котле, содержащем корпус с крышкой, закрепленную в центральной части крышки горелку, размещенные в корпусе водяной объем, топочную камеру, поворотную камеру дымовых газов и дымогарные трубы, сообщенные входными участками с поворотной камерой дымовых газов, а выходными - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой, водяной коллектор, расположенный в донной части котла, нагревательные элементы в виде труб, каждая из которых помещена с кольцевым зазором в дымогарную трубу, причем впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему воду трубопроводу, а выпускные - к водяному объему котла, согласно изобретению, в каналах, образованных кольцевыми зазорами между нагревательными элементами и дымогарными трубами, установлены турбулизаторы газового потока, поворотная камера дымовых газов образована днищами водяного объема и топочной камеры, впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему трубопроводу через водяной коллектор, а выпускные - непосредственно к водяному объему, при этом водяной коллектор образован днищами котла и топочной камеры, а коллектор дымовых газов - крышкой котла и обращенными к крышке поверхностями водяного объема.

Кроме того, турбулизаторы газового потока выполнены в виде кольцевых выступов на внутренней поверхности дымогарной трубы, размещенных на равном расстоянии друг от друга по ее длине.

Выступы могут быть образованы кольцевыми выдавками материала дымогарной трубы.

Турбулизаторы газового потока могут быть выполнены также в виде кольцевых выступов на наружной поверхности нагревательного элемента, размещенных на равном расстоянии друг от друга по его длине.

Приведенная совокупность существенных признаков позволила организовать в котле оптимальную схему газо- и водопотоков. Основная передача тепла от дымовых газов к воде осуществляется в условиях противотока нагревающей и нагреваемой сред.

Размещение турбулизаторов газового потока в каналах, образованных кольцевыми зазорами между нагревательными элементами и дымогарными трубами, значительно (в 2-2,5 раза) повышает эффективность теплосъема. Выполнение турбулизаторов в виде кольцевых выступов на внутренней поверхности дымогарной трубы или наружной поверхности нагревательного элемента является наиболее целесообразным при их размещении в узком пространстве кольцевого зазора.

Кроме того, за счет вышеприведенного выполнения и взаимного расположения элементов котла, при обеспечении участия в теплопередаче как наружных, так и внутренних поверхностей дымогарных труб, удалось значительно упростить устройство, уменьшить его массу и габариты.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 представлено схематичное изображение общего вида котла; на фиг.2 - выносной элемент I на фиг.1; на фиг.3 - выносной элемент I на фиг.1 с вариантом размещения турбулизаторов газового потока.

Водогрейный котел содержит корпус 1 с крышкой 2. В центральной части крышки 2 закреплена газовая горелка 3. В корпусе 1 размещены водяной объем 4, топочная камера 5, поворотная камера 6 дымовых газов, дымогарные трубы 7. Входные участки дымогарных труб 7 сообщены с поворотной камерой 6 дымовых газов, образованной днищами водяного объема 4 и топочной камеры 5, а выходные - с коллектором 8 дымовых газов. Коллектор 8 дымовых газов, образованный крышкой 2 котла и обращенными к крышке 2 поверхностями водяного объема 4, связан с дымовой трубой (на чертежах не показана). В донной части котла расположен водяной коллектор 9, образованный днищами котла и топочной камеры 5. Котел снабжен нагревательными элементами 10 в виде труб, каждая из которых помещена с кольцевым зазором 11 в дымогарную трубу 7. Впускные концы нагревательных элементов 10 подключены к подводящему воду трубопроводу 12 через водяной коллектор 9, а выпускные - непосредственно к водяному объему 4. В каналах, образованных кольцевыми зазорами 11, установлены турбулизаторы газового потока. Последние выполнены в виде кольцевых выступов 13, установленных или на внутренней поверхности дымогарных труб 7 или на наружной поверхности нагревательных элементов 10, и размещены на равном расстоянии друг от друга по длине каналов. С целью упрощения и повышения технологичности изготовления в первом случае выступы образованы кольцевыми выдавками материала дымогарной трубы 7.

Работа котла осуществляется следующим образом.

После заполнения водяной системы котла зажигают газовую горелку 3. По мере нагрева вода по подводящему трубопроводу 12 подается в водяной коллектор 9, сообщенный с впускными концами нагревательных элементов 10, и поступает непосредственно в водяной объем 4. Пройдя водяной объем 4, через отводящий патрубок вода поступает к потребителю.

Горячие дымовые газы, образующиеся в процессе работы газовой горелки 3, нагревают воду, проходя последовательно топочную камеру 5, поворотную камеру 6, образованные наружной поверхностью нагревательных элементов 10 и внутренней поверхностью дымогарных труб 7 кольцевые каналы с размещенными в них турбулизаторами газового потока, и коллектор 8 дымовых газов, связанный с дымовой трубой.

Таким образом, предварительный нагрев воды осуществляется в водяном коллекторе 9 и нагревательных элементах 10, при этом внутри нагревательных элементов 10 нагрев осуществляется непосредственно от тепла дымовых газов. Турбулизация газового потока в каналах, образованных кольцевыми зазорами 11, интенсифицирует этот процесс. Из нагревательных элементов 10 вода поступает непосредственно в водяной объем 4, при прохождении по которому происходит основной нагрев воды. Поскольку на этом участке прохождения воды теплопередача осуществляется в условиях непосредственного контакта и противотока нагревающей и нагреваемой сред, а также турбулизация потока дымовых газов, эффективность теплопередачи значительно возрастает.

Реализация заявляемого технического решения водогрейного котла позволяет осуществлять теплосъем в условиях, когда:
- в процессе теплопередачи участвуют как наружные, так и внутренние поверхности дымогарных труб, при этом почти весь объем дымовых газов проходит через зону активной теплопередачи;
- вода на всем протяжении своего пути нагревается непосредственно от тепла потока дымовых газов;
- за счет турбулизации потока дымовых газов процесс теплопередачи интенсифицирован как на стадии предварительного, так и основного нагрева воды;
- основной теплосъем производится при противотоке нагревающей и нагреваемой сред.

Источники информации
1. Патент РФ 2052733, МПК F 24 H 1/24, опубл. 1996 г.

2. Авторское свидетельство СССР 1543183, МПК F 22 B 7/12, опубл. 1987 г.

3. Патент РФ 2116579, МПК F 24 H 1/00, 1998 г. - прототип.

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в котельных агрегатах, преимущественно в автономных и крышных котельных. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности теплосъема, упрощение конструкции, уменьшение массы и габаритов котла. Водогрейный котел содержит корпус с крышкой, закрепленную в центральной части крышки горелку, размещенные в корпусе водяной объем, топочную камеру, поворотную камеру дымовых газов и дымогарные трубы, сообщенные входными участками с поворотной камерой дымовых газов, а выходными - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой, водяной коллектор, расположенный в донной части котла, нагревательные элементы в виде труб, каждая из которых помещена с кольцевым зазором в дымогарную трубу, причем впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему воду трубопроводу, а впускные - к водяному объему котла. Согласно изобретению, в каналах, образованных кольцевыми зазорами между нагревательными элементами и дымогарными трубами, установлены турбулизаторы газового потока, поворотная камера дымовых газов образована днищами водяного объема и топочной камеры, впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему трубопроводу через водяной коллектор, а выпускные - непосредственно к водяному объему, при этом водяной коллектор образован днищами котла и топочной камеры, а коллектор дымовых газов - крышкой котла и обращенными к крышке поверхностями водяного объема. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Водогрейный котел, содержащий корпус с крышкой, закрепленную в центральной части крышки горелку, размещенные в корпусе водяной объем, топочную камеру, поворотную камеру дымовых газов и дымогарные трубы, сообщенные входными участками с поворотной камерой дымовых газов, а выходными - с коллектором дымовых газов, связанным с дымовой трубой, водяной коллектор, расположенный в донной части котла, нагревательные элементы в виде труб, каждая из которых помещена с кольцевым зазором в дымогарную трубу, причем впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему воду трубопроводу, а выпускные - к водяному объему котла, отличающийся тем, что в каналах, образованных кольцевыми зазорами между нагревательными элементами и дымогарными трубами, установлены турбулизаторы газового потока, поворотная камера дымовых газов образована днищами водяного объема и топочной камеры, впускные концы нагревательных элементов подключены к подводящему трубопроводу через водяной коллектор, а выпускные - непосредственно к водяному объему, при этом водяной коллектор образован днищами котла и топочной камеры, а коллектор дымовых газов - крышкой котла и обращенными к крышке поверхностями водяного объема. 2. Котел по п. 1, отличающийся тем, что турбулизаторы газового потока выполнены в виде кольцевых выступов на внутренней поверхности дымогарной трубы, размещенных на равном расстоянии друг от друга по ее длине. 3. Котел по п. 2, отличающийся тем, что выступы образованы кольцевыми выдавками материала дымогарной трубы. 4. Котел по п. 1, отличающийся тем, что турбулизаторы газового потока выполнены в виде кольцевых выступов на наружной поверхности нагревательного элемента, размещенных на равном расстоянии друг от друга по его длине.